Description de l'Univers/Exercices/La propagation de la lumière dans un milieu homogène

Les premières mesures de la vitesse de la lumière

Tentative de Galilée

Avant Galilée les savants pensaient que la lumière se propageait instantanément dans l'air. Galilée (1564–1642) semble avoir été le premier à penser que cette vitesse était finie et la premier à essayer de la mesurer. La tentative de Galilée est simple, deux hommes munis d'une laterne et placés à une distance de quelques kilomètres, font l'expérience suivante.

Le premier découvre sa lanterne en déclenchant une horloge. Le seconde découvre la sienne dès qu'il aperçoit le signal lumineux et le premier arrête son horloge dès qu'il voit le signal lumineux. Le temps d'aller et retour du signal lumineux peut être ainsi en théorie apprécié.

Ces expériences ne donnèrent pas de résultats tangibles, les temps mesurés restant les mêmes quand les distances entre les hommes variaient.

« Si la propagation n'est pas instantanée, elle est extraordinairement rapide. »
— Galilée

1. Qui était Galilée ?
2. Citer au moins un des principaux travaux de Galilée.
3. Pourquoi l'expérience de Galilée a-t-elle échoué ?
4. Que peut-on quand même conclure de cette expérience ?

Solution

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La mesure de Römer en 1676

L'astronome danois Ole Römer (1644–1710) effectua la première détermination de la vitesse de la lumière en 1676 par une méthode astronomique. À partir de la durée de l'éclipse de Io, satellite jovien, Römer déterminait la période de révolution du satellite. Il constata que cette période (voisine de 42,5 H) variait en fonction de la position de la Terre quand on effectuait la mesure.

Ce résultat était en contradiction avec les lois de Kepler qui stipulaient que la période de révolution du satellite était constante.

Römer comprit alors qu'il fallait tenir compte du temps de parcours de la lumière pour aller Io à la Terre.

« Soit A le soleil, B Jupiter, C le premier satellite qui entre dans l'ombre de Jupiter pour en sortir en D et soit E, F, G, H, K, L la Terre placée à diverses distances de Jupiter. Or supposé que la Terre étant en L vers la seconde quadrature de Jupiter, ait vu le premier satellite lors de son émersion ou sortie de l'ombre en D et qu'ensuite environ 42 heures et demie après, savoir après une révolution de ce satellite, la Terre se trouvant en K, le voit de retour en D. Il est manifeste que si la lumière demande du temps pour traverser l'intervalle LK, le satellite sera vu plus tard de retour en D, qu'il n'aurait été si la Terre était demeurée en L. De sorte que la révolution de ce satellite ainsi observé par les émersions, sera retardée d'autant de temps que la lumière en aura employé à passer de L en K et qu'au contraire dans l'autre quadrature FG où la Terre en s'approchant va au devant de la lumière, les révolutions des immersions paraîtront autant raccourcies que celles des émersions avaient parues prolongées. »
— Römer, Le journal des sçavans

Römer détermine alors une variation de la durée du parcours de 22 minutes (aujourd'hui 16 min 40 s) pour une variation de distance de 276 millions de kilomètres (aujourd'hui 299 × 10⁶ km). L'idée d'une vitesse finie pour la lumière était définitivement acquise.

1. Que signifie le terme « satellite jovien » ?
2. Que représente la période de révolution d'un satellite ?
3. Peut-on conclure par rapport aux deux hypothèses émises dans la question 4 de la première sous-partie.
4. Résumer de façon simple, en utilisant le schéma la méthode utilisée par Römer.
5. Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière trouvée par Römer.
6. Quelle valeur aurait-il trouvée à partir des données d'aujourd'hui ?

Solution

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Propagation de la lumière dans un milieu homogène

On dispose d'une diode laser émettant une lumière rouge.

1. Que signifie le terme « homogène » ?
2. Peut-on considérer l'air de la salle de classe comme un milieu homogène ?
3. Donner un exemple de milieu non homogène.
4. Rappeler les mesures de précaution énoncées par le professeur quant à l'utilisation d'un laser.
5. Diriger le laser vers le mur. Qu'observe-t-on ? Voit-on un faisceau laser ?
6. Proposer une expérience permettant de faire apparaître un faisceau. Réaliser cette expérience.
7. Expliquer alors à quoi est due la différence entre les observations effectuées dans ces deux expériences.
8. Quelle conclusion peut-on en tirer quant à la propagation de lumière dans un milieu homogène ?

Solution

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